Jeśli w ją d rze jeden z neutronów zam ienia się w w yżej opisany sposób na p ro to n p rz y równoczesnym w yrzuceniu na zew nątrz elektronu, to taka sam orzutna przem iana wskazuje, że ją d ro w yjściow e nie było trw a łe . N ie trw a le ją d ro może przez pewien czas żyć, t j . pozostawać w stanie p ie rw o tn ym , ale po k ió ts z y m lub dłuższym czasie przem ienia się ono w nowe ja d ro . Takie n ie trw a łe ją d ro nazyw am y ją d re m prom ieniotw órczym .
N ow opowstałe ją d ro aw ansuje w stosunku do dawnego w numerze atom ow ym o jedno miejsce (p rz y b y ł jeden p ro to n ) p rz y niezm ienionej liczbie masowej (u b y ł w to miejsce jeden n e u tro n ).
Jeden z w ielu przykła dó w ta k ie j przem iany obserw ujem y na w spom nianym w § 3 n ie trw a ły m ją d rz e w odoru 3H składającym się z jednego protonu i dwóch neutronów . Jądro to je s t pro m ie niotw órcze, gdyż w yrzuca elektron p rz y równoczesnej zam ianie neutronu w proton. Nowopowstałe ją d ro je s t w m yśl powyższego ją d re m 3He, k tó re ju ż je s t trw a łe .
Taką samą przem ianę przechodzi też n ie trw a le ją d ro n a j
cięższego, nie spotykanego w przyrodzie, izotopu u ranu 239U.
Izotop ten przez w yrzucenie eletrońu przem ienia się po dość k ró tk im żywocie, wynoszącym średnio pół godziny, w nowy, nieznany dotychczas p ie rw ia ste k o numerze atom ow ym 93.
N ow opow stałe ją d ro je s t w ty m w ypadku też n ie trw a le i prze
chodzi dalszą podobną przemianę.
O m ó w iliśm y nieco obszerniej proces p rzem iany neutronu w pro to n w jądrze, ponieważ przem iana ta gra dużą rolę w za
gadnieniu w yzyskania e n e rg ii atom ow ej.
Obok tego procesu m o ż liw y je s t też w ją d rze proces od
w ro tn y : p rzem iany pro to n u w neutron. P rz y ty m procesie nukleon tra c i dodatni nabój, k tó r y nie może zniknąć (p ra w o zachowania n a b o ju !), ale m usi się p o jaw ić na cząsteczce, k tó ra p rz y ty m pow staje. Na zew nątrz ją d ra w y la tu je wówczas cząstka dodatnio naładowana o te j samej masie co elektron.
N azyw am y ją ze względu na dodatni znak naboju p o z y t r o - n e m . (D la s y m e trii należałoby elektron nazwać negatronem ).
Cząstka ta została o d k ry ta w ty m samym ro ku co neutron przez C. D. Andersona w Am eryce. Przyczyną ta k późnego odkrycia je s t duża rzadkość pozytronów . W yrzucanie pozytronu przez ją d ro je s t oznaką, że ją d ro to je s t n ie trw ałe. P rzem ienia się ono na nowe ją d ro o numerze atom ow ym o jeden niższym w stosunku do dawnego (u b yte k jednego p ro to n u ) p rz y nie
zm ienionej liczbie masowej (p rz y b y ł jeden n e u tro n ).
Jąder w yrzucających p ozytrony nie spotykam y w p rz y ro dzie. P o tra fim y je d n a k sztucznie w y tw o rz y ć tego ty p u prom ie
niotw órcze ją d ra . Zostało to po raz pierw szy dokonane w r. 1934 przez małż. Joliot.
W obecnym stadium w yzyskania e ne rg ii atom ow ej ją d ra p rom ieniotw órcze w ysyłające p ozytro n y nie g ra ją ro li.
§ 6. G ranice obrazu cząsteczkowego1)
W spom inaliśm y ju ż, że ją d ro n ie trw a łe , ja k np. ją d ro w o
doru 3H , przem ienia się po pew nym czasie w yrzu ca ją c elektron.
Czas, po k tó ry m następuje sam orzutna przem iana, nie je s t dla w szystkich ją d e r 3H ta k i sam.
R ozpatrzm y zespół bardzo w ie lu ją d e r 3H , np. m ilia rd . Okazuje się, że poszczególne ją d ra rozpadają się w różnych c h w ila c h : n ie któ re ju ż po k ilk u sekundach, inne dopiero po w ie lu latach, zawsze je d na k ta k , że po 31 latach połowa tych ją d e r się rozpadnie. Czas ten nazyw am y c z a s e m p o ł o w i c z n e g o zaniku 3H .
K ażdy p ie rw ia ste k p ro m ie niotw ó rczy posiada sw ój ściśle określony czas połowicznego zaniku. Jego w a rto ść zm ienia się dla rozm aitych p ie rw ia s tk ó w prom ieniotw órczych w bardzo szerokich g ra n ica ch : od m ilio no w ych części sekundy (np. dla ThC ’ , izotopu polonu) do w ie lu m ilia rd ó w la t (np. dla 238Z7 lub 232T h ). M a m y tu ta j p rzykła d pra w a fizycznego odnoszącego się do zbiorow iska bardzo w ielu identycznych atom ów, k tó re jednak nic nie m ó w i o zachowaniu się pojedynczego atomu.
') P rzy pierw szym czyta niu może C z y te ln ik ten §, ja k o nieco tru d n ie js z y , pom inąć.
N asuwa się tu od razu pytanie. Czy nie można dla pojedyn
czego ją d ra przewidzieć c h w ili jego sam orzutnej przem iany?
A jeżeli nie teraz, to może w przyszłości postęp n a u k i pozw oli przewidzieć chw ilę sam orzutnej p rze m ia ny poszczególnego ją d ra ? N im na to pyta n ie odpow iem y, m usim y tu wspomnieć o pewnych doświadczeniach, któ re zm ie n iły bardzo głęboko nasz pogląd na m aterię. Doświadczenia te w ykonane zostały po raz pierw szy w r. 1927 przez Davissona i Germera, a potem zostały w ie lo k ro tn ie potwierdzone przez in n ych badaczy, m iędzy in n y m i w Polsce przez Szczeniowskiego. Dowodzą one, że elektron (ta k - samo zresztą ja k pro to n i n e u tro n ) posiada obok swych w ła sności cząsteczkowych albo, ja k m ów im y, ko rp usku la rn ych pewne cechy falow e. Falę w przestrzeni w yobrażam y sobie ja k o stan, w k tó ry m w re g ula rn ych odstępach m am y „ g ó r y “ i „ d o li
n y ", albo d o k ła d n ie j: pewien stan drgania, k tó r y w regularnych odstępach przechodzi przez m aksim um i m in im um . Odstęp m iędzy dw iem a sąsiednim i g óram i nazyw am y długością fa li.
C ały ten układ „ g ó r “ i „d o lin ” przesuwa się w czasie z pewną prędkością. Jeśli, ja k w y n ik a z przytoczonych w yżej doświad- • czeń, elektron ma być reprezentow any przez falę, to obraz ten w yłącza wyobrażenie elektronu ja k o cząstki, k tó ra się znajduje, w określonym m iejscu. Bo fa la je s t czymś niezlokalizow anym , czymś, co rozciąga się w dużym obszarze przestrzeni, podczas gdy w pojęciu cząstki tk w i ju ż pojęcie je j lo k a liz a c ji (Ryc. 5).
Byc. 5.
Dwoistość m a te rii
Jak więc należy pogodzić te dwa wyłączające się obrazy ele ktro nu, z k tó ry c h każdy na swe uzasadnienie może podać pewne doświadczenia ?
Nasze w yobrażenia o świecie atom ow ym są uform ow ane na podstawie m odeli w ziętych ze św iata bezpośrednio dostępnego naszym zmysłom. A le ś w ia t atom ow y nie je s t bezpośrednio naszym zm ysłom dostępny. N ie możemy śledzić biegu elektronu czy protonu tak, ja k śledzim y bieg p iłk i na meczu footballow ym . Toteż m usim y się pogodzić z ty m , że nasze w yobrażenie o elek
tro n ie ja k o czymś, co posiada cechy cząstki m ającej w' każdej c h w ili określone położenie i określoną prędkość, je s t złudzeniem o p a rtym na nieuzasadnionym przeniesieniu pojęć z m a kro św ia ta do św iata atomowego.
M im o to operow aliśm y pojęciam i elektronu (lu b p ro to n u) ta k, ja k b y ś m y go sobie w yo b raża lj na k s z ta łt m a le ńkiej kuleczki.
Jest to dopuszczalne, ale ty lk o w pewnych granicach. Granice te zakreśla obraz falow y.
Jak pokazuje doświadczenie, fa la , k tó rą należy przypisać e le ktron o w i o zadanej prędkości, posiada ściśle określoną d łu gość (ta długość fa li je s t odw rotnie p ro porcjonalna do szyb
kości e le k tro n u ). Falę związaną z elektronem możemy na
zwać „fa lą wiadom ości o e le ktron ie 1*, ponieważ w każdym m iejscu je j a p ip litu d a (najw iększe w ychylenie p rz y d rg a n iu ) m ó w i nam, ja k ie są szanse na znalezienie elektronu w ty m m iejscu.
Jeśli elektron posiada określoną prędkość, to obraz fa lo w y m ó w i nam, że jego położenie je s t nieokreślone, ponieważ fala o danej długości f a li m usi się rozciągać po całej przestrzeni.
Jeśli n atom iast o elektronie w iem y, że zn a jd u je się on w pe
w n ym bardzo m ałym obszarze przestrzeni, to „ fa la wiadom ości o elektronie** m usi znikać wszędzie poza ty m obszarem. Fala taka, nazwana „paczką falową**, nie posiada ju ż określonej d łu gości f a li (Ryc. 6 ).
Można ją je d na k otrzym ać przez nałożenie w ie lu fa l mono
chrom atycznych ( t j. fa l, z k tó ry c h każda ma sw oją określoną długość), je że li te fale ta k dobierzemy, aby się one w zajem nie wygaszały poza rozw ażanym obszarem (in te rfe re n c ja f a l) . Po
nieważ w paczce fa lo w e j reprezentowane są fa le o różnych
długościach fa li, to „paczka fa lo w a wiadom ości o elektronie*' określając położenie elektronu pozostawia jego prędkość n ie określoną.
Ry?. 6.
Paczka falow a. Paczką fa low ą możemy otrzym ać n a k ła d a ją c na siebie szećeg fa l m onochrom atycznych o różniących sią nieco długościach
fa li. (O dpow iednik w akustyce — dudnienie).
f
Model elektronu ( ja k rów nież protonu i n eu tro nu ) ja k o m a
łe j kuleczki możemy więc stosować ty lk o w ty m w ypadku, jeżeli nie p rzyp is u je m y ele ktron o w i określonego położenia i określo
nej prędkości równocześnie. Wobec zasadniczej nieoznaczoności prędkości elektronu w danym położeniu, nie można dokładnie przewidzieć, gdzie elektron znajdziem y po pewnej c h w ili.
Równoczesne własności falow e i korp usku la rn e elektronu, p rotonu i neutronu nie dadzą się więc pogodzić z m ożliwością przew idzenia przyszłych losów poszczególnej cząstki.
Obecna teoria kw antów , oparta na te j dwoistości falow o- cząsteczkowej, pozwala je d na k przew idzieć średnie zachowanie się cząstki w szeregu ta k ic h samych sytu a cji.
C ały szereg p ra w fiz y k i atom ow ej ma więc ch arakte r statystyczny. Tego ro d zaju pra w a statystyczne rządzą też prze
m ianą ją d er. Dlatego nie p o tra fim y określić c h w ili, w k tó re j statystyczny. Tego rodzaju praw a statystyczne rządzą też p rz e m ianie, możemy ty lk o obliczyć czas połowicznego zaniku dla bardzo wrie lk ie j ilości ją d er.
W dalszych p a rag ra fach nie będziemy się ju ż odw oływ ali do obrazu falowego, a to jedynie dlatego, że nie w ykła d am y tu -18
ta j całej te o rii ją d ra atomowego, lecz p ragniem y je d ynie po
glądowo uzm ysłow ić pewne w y n ik i te o rii.
Dobrze je d na k je s t zdać sobie sprawę z g ra n ic stosowalno
ści obrazu cząsteczkowego, aby uniknąć w yciągania częstokroć błędnych wniosków .
§ 7. S iły jąd ro w e
M iędzy cegiełkam i budow y ją d ra , tzn. p ro to n am i i neutrona
m i, muszą działać pewne siły , k tó re s p ra w ia ją , że ją d ro nie ro z la tu je się, lecz je s t tw o re m trw a ły m . Rodzaj ty c h sił nie je s t jeszcze ostatecznie w y ja śn io n y. O pewnych własnościach tych s ił możemy je d na k w nioskow ać na podstawie naszych w ia domości o ją d rach . S iły wiążące cegiełki ją d ra w jedną całość nazyw am y s iła m i w iązania lub też s iła m i ją d ro w y m i.
S iły elektryczne w ją d rze pow odują odpychanie się wza
jem ne ró w noim iennie naładowanych protonów . W skutek tego s iły te nie d zia łają wiążąco na ją d ro , lecz o dw rotn ie — rozsa- dzająco. S iły elektryczne nie mogą wobec tego być siła m i w ią zania ją d ra . N a obojęttie elektrycznie neu tro ny s iły te w ogóle nie działają,
działają.
S iły w iązania są więc s iła m i zupełnie now ej n a tu ry . Muszą one być s ila m i p rzyciągania m iędzy w szelkim i nukleonam i, n ie zależnie od tego, czy w ystę pu ją one w r o li protonów , czy neu
tro nó w . Różnią się one od sił elektrycznych jeszcze jedną w łas
nością. S iły elektryczne d zia łają na znaczną odległość. (W edług p ra w a Coulomba s iły te są o dw rotn ie proporcjonalne do k w a d ra tu odległości m iędzy naładow anym i cząstkam i, tzn. p rz y d w u k ro tn e j odległości siła ta m aleje czte ro k ro tn ie ). Z nikom e w sto
sunku do w ielkości całego atom u ro z m ia ry ją d ra w skazują, że s iły ją d row e m a ją o wiele m n ie jszy zasięg niż s iły elektryczne.
Ten sam wniosek możemy wysnuć z fa k tu , że s iły m iędzy n e u tro nem a ją d re m w ystę p u ją dopiero p rz y bardzo s iln y m zbliżeniu neutronu do ją d ra ( ja k to o m ów iliśm y w § 5 ).
M a ły zasięg działania s ił ją d ro w y c h spraw ia, że każdy nu
kleon w ją d rze w y w ie ra s iły ją d ro w e ty lk o na swoich n a jb liż
szych sąsia-dów, a nie działa ju ż na b ardziej odległe nukleony tego samego ją d ra . Jądro atom u dość często nprów nyw a się z kro p lą cieczy: podobnie ja k d ro b in y k ro p li d zia łają ty lk o na d ro b in y bezpośrednio z n im i sąsiadujące, ta k s iły ją d row e dzia
ła ją ty lk o m iędzy bezpośrednio ze sobą sąsiadującym i nukleona
m i w jądrze. Podobnie ja k w cieczy d robiny, nukleony w jądrze są gęsto*obok siebie ułożone (por. ryc. 2 i 3 ). W skutek tego objętość ją d ra je s t w p ro s t propo rcjo n alna do liczb y nukleonów w jądrze. Poza ty m je d na k w ystę pu ją w ją d rze s iły odpychania elektrycznego, działające jeszcze m iędzy ty m i p rotonam i, któ re są b ardziej oddalone od siebie.
W zajem na gra s ił ją d ro w y c h i sił odpychania elektrycznego spraw ia, że nie każda kom binacja protonów i neutronów może tw o rzyć ją d ro . N ie znam y np. ją d ra składającego się z samych protonów (g d y liczba ich przekracza 1). W idocznie s iły odpy
chania elektrycznego w zię łyb y w ty m p rzypadku górę nad siła m i ją d ro w y m i przyciągania rozsadzając natych m ia st ją d ro . Pewna liczba neu tro nó w w ją d rze je s t więc niezbędna, aby s iły p rzyciągania przew ażyły s iły odpychania elektrycznego. T ylko wówczas ją d ro może istnieć.
Osobliwy, ch a ra k te r s ił ją d ro w y c h narzuca rów nież pewną górną granicę dla liczby neutronów w jądrze. G ranica ta zależy od liczby obećnych w ją d rze protonów , czyli od ro d zaju p ie rw ia stka chemicznego. Liczba neutronów w ją d rze danego p ie rw ia stka może wahać się w pew nych granicach, co oznacza możliwość is tn ie n ia szeregu izotopów. N ie k tó re z ty c h izotopów są trw a łe , inne n ie trw ałe, czyli prom ieniotw órcze. Izotop prom ieniotw ói*- czy ulega po pew nym czasie sam orzutnej przem ianie na in n y p ie rw ia ste k w edług następującego p ra w a :
ją d ro posiadające w ięcej neutronów aniżeli jego trw a le izo
to p y zam ienia jeden z n eutronów na proton, p rz y czym na ze
w n ą trz w y la tu je elektron ;
ją d ro posiadające m n ie j neutronów aniżeli jego trw a łe izotopy zam ienia jeden z pro to n ów na neutron, w yrzu ca ją c na zew nątrz pozytron ;
ją d ro n ie trw a łe o pośredniej licżbie neutronów (w g ra n i
cach określonych przez trw a łe izotopy) ulega bądź pierw szej, bądź d ru g ie j przem ianie (por. ryc. 7 ) . 1)
Ryc. 7.
Znane izotopy chloru (Cl). Jądro c h lo ru zaw iera 17 protonów , liczba n e u tro n ó w w aha się od 16 do 21. Izotopy trw a łe oznaczono czarnym i k ó łk a m i. P rzy izotopach n ie trw a ły c h (białe k ó łk a ) znak m in u s (—) w skazuje na rozpad przez w yrzucenie e lektronu, znak plus ( + ) — na
rozpad przez w yrzucenie pozytronu.
Ostatecznie okazują się trw a ły m i ty lk o ją d ra zaw ierające p ro to n y i n e u tro n y w pew nych ściśle określonych proporcjach.
Doświadczenie uczy, że dla ją d e r le kkich (liczba masowa m niejsza od 40) trw a ło ść ją d ra wym aga, aby liczba neutronów była rów na ilości pro to n ów lu b ją ty lk o niecd przewyższała.
D la ją d e r ciężkich trw a ło ść ją d ra w ym aga ju ż znacznej prze
w a g i neutronów . W eźmy dla p rzykła du b rom ( B r ) , gdzie m am y 35 protonów . T rw a łe izotopy brom u za w ie ra ją 44 lub 46 neu tro nó w . Stosunek liczb y neutronów do p rotonów w ynosi tu więc około 1,3. D la ją d e r najcięższych, ja k np. uranu, stosunek ten w ynosi około 1,5.
Jądra zaw ierające w ięcej niż 83 p ro to n y (n u m e r atom ow y 83 przypada na b izm u t B i ) nie posiadają ju ż trw a ły c h izotopów.
D la ją d e r ty c h obserw ujem y (obok przem iany połączonej z w y rzucaniem e le ktron u ) now y, nie w ystę pu ją cy dla lżejszych ją d e r ty p p rzem iany sam orzutnej, polegający na w yrzu ca n iu przez ją d ro cząstki a (por. § 4 ). N asuwa to w*iiosek, że skła d n ik i ją d ro w e są w ty c h ciężkich ją d ra c h ju ż słabiej wiązane.
’ ) P o m in ę liśm y tu nieco rzadziej sp otyka ną przem ianę protonu n a neutron w jądrze" połączoną z pochłonięciem e le ktro n u z p ow łoki e lektronow ej atom u (tzw. przem iana K).
W ją d ra c h najcięższych, zaw ierających 90 lu b w ięcej p ro tonów, spotykam y zupełnie nowe zjaw isko „p ę kan ia ją d ra " , p rz y k tó ry m ją d ro ro z la tu je się na dw ie rów ne części. Proces ten je s t podstawą, na k tó re j opiera się nowe źródło energii.
O m ów im y go obszerniej w § 10.
§ 8. E nergia w iązan ia ją d ra
S iły wiążące p ro to n y i n eu tro ny w jedną całość będącą ją drem atom u pow odują, że do rozbicia ją d ra na jego części skła
dowe, p ro to n y i neutrony, potrzebna je s t pewna praca, czyli pewna ilość energii. E nergię tę nazyw am y energią w iązania ją d ra . Ponieważ energia n ig d y nie ginie, to ta sama ilość ener
g ii, k tó ra je s t potrzebna do rozbicia ją d i’a na poszczególne p ro to n y i neutrony, m usi zostać wydzielona p rz y u tw orzen iu ją d ra z protonów i neutronów. Możemy też w ięc powiedzieć, że ener
gia w iązania je s t tą energią, k tó ra zostaje wydzielona p rz y utw orzeniu ją d ra z p rotonów i neutronów .